Технические характеристики звуковых плат

Тема ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ВВОДА-ВЫВОДА МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

Средства преобразования звуковой информации в цифровые коды. принцип действия аудиоустройств мультимедиа. определить критерии выбора аудиоустройств.

Средства воспроизведения звука. Принципы воспроизведения звука. Характеристики аудиоадаптеров. Устройство и принцип работы аудиоплаты. Современные стандарты звука. Интегрированные аудиоконтроллеры.

Состав видеосистемы

Назначение видеосистемы. Основные блоки видеосистемы. Функции видеосистемы. Классификацию видеосистем ЭВМ;

Видеоадаптеры

Режим работы видеоадаптеров. Современные видеоадаптеры, их технические характеристики. Проблемы цветопередачи. Выбор объема видеопамяти в зависимости от разрешения и количества цветов. Структурная схема современных видеоадаптеров. Основные требования к видеоадаптерам. Принцип действия видеоадаптеров. Стандарты видеосистем. Схемные реализации видеоадаптеров. Режимы работы и соответствующие разрешения видеоизображения. Организация видеопамяти и ее виды.

Мультимедиа

Мультимедиа (multimedia — многосредовость) — это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя сре­ды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

Мультимедиа — это интерактивные системы, обеспечивающие работу с неподвижными изображе­ниями и движущимся видео, анимированной ком­пьютерной графикой и текстом, речью и высокока­чественным звуком.

Анимация — это изменение вида, формы, разме­ров или взаимного расположения объектов на экра­не, создающее эффект мультипликации.

Появление систем мультимедиа и анимации, бе­зусловно, производит революционные изменения в таких областях, как образование, компьютерный тренинг, во многих сферах профессиональной дея­тельности, науки, искусства, в компьютерных иг­рах и т.д. Оно подготовлено как требованиями прак­тики, так и развитием теории. Однако, резкий ры­вок в этом направлении, произошедший за после­дние несколько лет, обеспечен, прежде всего, разви­тием технических и системных средств. Это и про­гресс в развитии программного обеспечения компь­ютера, и резко возросшие объем памяти, быстродей­ствие, графические возможности, и достижения в области видеотехники, лазерных дисков — CD, DVD-ROM и их массовое внедрение.

Мультимедиа предоставляет пользователю потря­сающие возможности в создании фантастического мира (виртуальной реальности), интерактивного об­щения с этим миром, когда пользователь выступает не в роли стороннего пассивного созерцателя, а при­нимает активное участие в разворачивающихся со­бытиях; причем общение происходит на привычном для пользователя языке - в первую очередь на язы­ке звуковых и видеообразов. Современный мультимедиа-ПК в полном «воо­ружении» напоминает домашний стереофонический Hi-Fi комплекс, объединенный с дисплеем-теле­визором. Он укомплектован активными стереофони­ческими колонками, микрофоном и дисководом для оптических компакт-дисков. Кроме того, внутри ком­пьютера спрятан аудиоадаптер, позволяющий про­слушивать чистые стереофонические звуки через аку­стические колонки с встроенными усилителями.

Понятно, что для поддержания всех этих аппа­ратных возможностей ПК нужны определенные программные средства, ведь основная проблема, из ко­торой вытекает качество работы мультимедийного компьютера — совместная обработка разнородных данных: цифровых и аналоговых, «живого» видео и неподвижных изображений.

Всем известно, что в компьютере всё данные хра­нятся в цифровой форме, в то время как теле-, ви­део- и большинство аудиоаппартуры имеет дело с аналоговым сигналом. Однако выходные устройства компьютера — мониторы и динамики имеют анало­говый выход. Поэтому простейший и наиболее де­шевый путь построения первых систем мультиме­диа состоял в стыковке разнородной аппаратуры с компьютером, предоставлении компьютеру возмож­ностей управления этими устройствами, совмеще­нии выходных сигналов компьютера и видео- и аудиоустройств и обеспечении их нормальной совме­стной работы. Дальнейшее развитие мультимедиа происходит в направлении объединения разнород­ных типов данных в цифровой форме на одной сре­де-носителе, в рамках одной системы.

Аудиоадаптер

Есть много способов заставить компьютер загово­рить или заиграть. Любой мультимедиа-ПК имеет в своем составе плату — аудиоадаптер. Для чего она нужна? С легкой руки фирмы Creative Labs (Сингапур), назвавшей свои первые аудиоадаптеры звон­ким словом Sound Blaster, эти устройства часто име­нуются «саундбластерами». Аудиоадаптер дал компьютеру не только стерео­фоническое звучание, но и возможность записи на внешние носители звуковых сигналов. Дисковые накопители ПК совсем не подходят для записи обычных (аналоговых) звуковых сигналов, так как рас­считаны для записи только цифровых сигналов, которые практически не искажаются при их переда­че по линиям связи. Любой звук (музыка или речь) содержатся в памяти компьютера в цифровом виде (в виде самплов) и с помощью DAC трансформиру­ются в аналоговый сигнал, который подается на усиливающую аппаратуру, а затем на наушники илиП колонки.

Стало быть, аудиоадаптер имеет аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), периодически опре­деляющий уровень звукового сигнала и превращаю­щий этот отсчет в цифровой код. Он и записывается на внешний носитель уже как цифровой сигнал.

Цифровые выборки реального звукового сигна­ла хранятся в памяти компьютера (например, в виде WAV-файлов)._ Считанный с диска цифровой сиг­нал подается на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует цифровые сигналы в аналоговые. После фильтрации их можно усилить и подать на акустические колонки, для воспроиз­ведения.

Другой способ воспроизведения звука заключа­ется в его синтезе. Компьютер посылает в звуко­вую карту нотную информацию, а карта преобразу­ет ее в аналоговый сигнал (музыку).

При поступлении на синтезатор некоторой уп­равляющей информации по ней формируется соот­ветствующий выходной сигнал. Современные аудио-адаптеры синтезируют музыкальные звуки двумя способами: методом частотной модуляции FM (Frequency Modulation) и с помощью волнового син­теза (выбирая звуки из таблицы звуков, Wave Table). Второй способ обеспечивает более натуральное зву­чание. Рассмотрим эти два способа более подробно:

Частотный синтез (FM) появился в 1974 году (PC-Speaker). В 1985 году появился AdLib, кото­рый, используя частотную модуляцию, был спосо­бен играть музыку. Новая звуковая карта Sound Blaster уже могла записывать и воспроизводить звук. Стандартный FM-синтез имеет средние зву­ковые характеристики, поэтому на картах устанав­ливаются сложные системы фильтров против воз­можных звуковых помех.

Большинство систем, оснащенных FM-синтезом, показывают очень неплохие результаты на проиг­рывании «компьютерной» музыки, но попытка си­мулировать звучание живых инструментов не очень хорошо удается. Ущербность FM-синтеза состоит в том, что с его помощью очень сложно (практичес­ки невозможно) создать действительно реалисти­ческую инструментальную музыку, с большим на­личием высоких тонов (флейта, гитара).

Первой звуковой картой, которая стала исполь­зовать эту технологию, был легендарный Adlib, ко­торый для этой целей использовал чип из синтеза Yamaha — YM3812FM. Большинство Adlib-совместимых карт (SoundBlaster, Pro Audio Spectrum) так­же используют эту технологию, только на других, более современных типах микросхем, таких, как Yamaha YMF262 (OPL-3) FM.

Суть технологии Wavetable synthesis (синтеза по таблице волн ), состоит в следующем.

На самой звуковой карте устанавливается модуль ПЗУ с «зашитыми» в него образцами звучания на­стоящих музыкальных инструментов. — сэмплами, а WT-процессор с помощью специальных алгоритмов даже по одному тону инструмента воспроизво­дит все его остальные звуки. Кроме того, многие производители оснащают свои звуковые карты модуляторами ОЗУ, так что есть возможность не толь­ко записывать произвольные сэмплы, но и подгру­жать новые инструменты, то есть при этом методе синтеза заданный звук «набирается» не из синусов математических волн, а из набора реально озвучен­ных инструментов — сэмплов. Самплы сохраняют­ся в RAM или ROM звуковой карты. Специальный звуковой процессор выполняет операции над сэмлами (с помощью различного рода математических преобразований изменяется высота звука, тембр, звук дополняется спецэффектами). Так как сэмплы — оцифровки реальных инструментов, они де­лают звук крайне реалистичным. До недавнего вре­мени подобная техника использовалась только в hi-end инструментах, но она становится все более по­пулярной теперь. Пример популярной карты, ис­пользующей WS — Gravis Ultra Sound (GUS). Кста­ти, управляющие команды для синтеза звука мо­гут поступать на звуковую карту не только от ком­пьютера, но и от другого, например, MIDI (Musical Instruments Digital Interface) устройства. Собственно MIDI определяет протокол передачи команд по стан­дартному интерфейсу.

MIDI-сообщение содержит ссылки на ноты, а не запись музыки как таковой. В частности, когда зву­ковая карта получает подобное сообщение, оно рас­шифровывается (какие ноты каких инструментов должны звучать) и отрабатывается на синтезаторе.

В свою очередь компьютер может через MIDI уп­равлять различными «интеллектуальными» музы­кальными инструментами с соответствующим ин­терфейсом. Компьютер посылает на MIDI-интерфейс специальные коды, каждый из которых обознача­ет действие, которое должен произвести MIDI-устройство (обычно" это синтезатор). Для электронных

синтезаторов обычно указывается число одновре­менно звучащих инструментов и их общее число (от 20 до 32).

Также важна и программная совместимость аудио­адаптера с типовыми звуковыми платформами (SoundBlaster, Roland, AdLib, Microsoft Sound System, Gravies Ultrasound и др.).

General-MIDI — это основной стандарт большин­ства звуковых плат. Звуковая плата самостоятель­но интерпретирует посылаемые коды и приводит им в соответствие звуковые самлы (или патчи), хра­нящиеся в памяти карты. Количество этих патчей в стандарте GM равно 128. На РС-совместимых ком­пьютерах исторически сложились два MIDI-интерфейса: UART MIDI и MPU-401. Первый реали­зован в Sound Blaster's картах, второй использо­вался в ранних моделях Roland.

Как видно из этого перечня, аудиоадаптер — до­статочно сложное техническое устройство, постро­енное на основе использования последних дости­жений в аналоговой и цифровой аудиотехнике.

Итак, звуковые платы используются для созда­ния, записи и воспроизведения различных звуко­вых сигналов: музыки, речи, различных шумовых эффектов.

В режиме создания звука плата действует, как музыкальный инструмент. Звук, создаваемый при помощи звуковой платы, называют синтезированным.

В режиме записи звука плата производит оциф­ровку звуковых сигналов для последующий их за­писи в память компьютера.

В режиме воспроизведения звука плата работает аналогично цифровому аудиоплейеру, преобразуя считанные из памяти цифровые сигналы в анало­говые звуковые.

Функционально плата содержит несколько мо­дулей:

• Модуль для записи и воспроизведения звука; Модуль синтезатора звука;

• Модуль интерфейсов.

Модуль для записи и воспроизведения звука ис­пользует для оцифровки аналого-цифровые преоб­разователи (АЦП), а для обратного преобразования — цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). На ка­чество звука и в том и в другом случае существенно влияет разрядность преобразователей.

Аналоговый звуковой сигнал меняется АЦП из­меряется через строго определенные последователь­ные интервалы времени (интервалы дискретизации), измеренные значения его амплитуды квантуются по уровню (заменяются близлежащими дискретными значениями сигнала) и идентифицируются соответ­ствующими двоичными кодами.

Разрешающая способность АЦП равна наименьше­му значению аналогового сигнала, приводящему к из­менению цифрового кода, то есть определяется разряд­ностью преобразователя, ибо, чем больше разрядность кода, тем больше разных дискретных значений сигна­ла и, соответственно, меньшие интервалы амплитуды аналогового сигнала можно отобразить этим кодом.

Таким образом, качество оцифровки, а соответ­ственно и последующего звучания оцифрованной аудиоинфрмации при прочих равных условиях за­висит от разрядности преобразования и частоты дис­кретизации. Оцифрованный сигнал записывается в память машины.

При воспроизведении оцифрованного звука в ЦАП двоичные коды заменяются соответствующими им дискретными значениями сигнала для последующе­го их усиления и воспроизведения через акустичес­кую систему.

В современных звуковых картах по-прежнему при­меняется частотный синтез звуков (FM-синтез), но это делается в основном в целях обеспечения

поддер­жки старых игр; Основным методом синтеза в насто­ящее время является волновой метод, или, как его enje называют, метод волновых таблиц (WT-синтез).

Возможно,⁴ это несколько субъективно, и кто-то не согласится, но после первого же сравнения звучания MIDI-инструментов в FM- и WT-вариантах вы безого­ворочно решите для себя, что FM-инструменты не сто­ят того, чтобы тратить на них ваше внимание.

Технические характеристики звуковых плат